譚清述，李照連

(紫金(廈門)工程設(shè)計(jì)有限公司)

引 言

隨著國內(nèi)礦業(yè)發(fā)展，地表淺層礦石已被大量開采，礦石開采逐步由地表淺層向深部發(fā)展。目前，國內(nèi)已有多條深度超過1 000 m的豎井，設(shè)計(jì)深度超過1 600 m的深井。多繩摩擦提升系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于提升高度300～2 000 m的豎井中，由于技術(shù)發(fā)展不充分及外在條件限制，大部分超深井均采用多繩摩擦提升系統(tǒng)[1]。

世界各國對多繩摩擦提升系統(tǒng)的首繩懸掛方式進(jìn)行了廣泛深入研究。瑞典廣泛采用杠桿式平衡裝置，但這種懸掛方式不適合成對使用，其通常在一個(gè)容器上使用，且作為首繩的鋼絲繩伸長量的調(diào)整范圍有限。英國經(jīng)常在首繩兩端不采用任何平衡裝置，只在繩環(huán)與容器之間裝設(shè)測力器和繩長調(diào)整裝置，使豎井調(diào)繩工作量增加。德國廣泛采用三角形杠桿平衡裝置，可以避免因裝置不穩(wěn)定導(dǎo)致的失衡，杠桿偏轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生恢復(fù)平衡位置的力矩。俄羅斯部分礦井上裝設(shè)彈簧式平衡裝置，鋼絲繩伸長量的調(diào)整范圍有限，且在彈簧機(jī)械疲勞后調(diào)整作用基本可以忽略。目前，國內(nèi)主要使用張力自動(dòng)平衡首繩懸掛裝置，該裝置采用閉環(huán)無源液壓連通自動(dòng)調(diào)整平衡系統(tǒng)，能高精度地實(shí)現(xiàn)鋼絲繩在動(dòng)、靜狀態(tài)下的張力自動(dòng)平衡，并可以通過計(jì)算選擇合適的調(diào)節(jié)長度，該種懸掛裝置更適合深井提升系統(tǒng)[2]。

1 首繩受力不均原理及危害

多繩摩擦提升系統(tǒng)通常需要4根或6根提升首繩，作為首繩的鋼絲繩機(jī)械性能不盡相同。各鋼絲繩在生產(chǎn)捻制過程中捻制力控制存在差異，導(dǎo)致各鋼絲繩的彈性模量及殘余伸長量不同，在提升機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中部分鋼絲繩伸長量較大，部分鋼絲繩伸長量較小，伸長量較小的鋼絲繩承受張力較大，為了達(dá)到鋼絲繩之間的自平衡，伸長量較小的鋼絲繩會(huì)產(chǎn)生部分滑動(dòng)，加速鋼絲繩的損壞及繩槽的磨損[3]。鋼絲繩在加工過程中也存在加工誤差，導(dǎo)致各鋼絲繩直徑存在細(xì)微差異，且提升機(jī)摩擦襯墊之間機(jī)械性能也并不完全相同。因此，在以上因素的影響下，鋼絲繩與繩槽配合使用時(shí)鋼絲繩會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象。

以繩槽直徑1 000 mm和1 200 mm 2種狀態(tài)下卷筒旋轉(zhuǎn)1周鋼絲繩行走距離及鋼絲繩受力狀態(tài)(見圖1)為例。在相同提升高度下，繩槽直徑較小的首繩需要較多的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)；在相同轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)下，繩槽直徑較小的首繩由于行走距離短，因此受力大；鋼絲繩受力的增加導(dǎo)致繩槽直徑較小的首繩向前滑動(dòng)，從而加速鋼絲繩的損壞及繩槽的磨損。

圖1 首繩行走及受力狀態(tài)示意圖

提升系統(tǒng)運(yùn)行過程中，首繩需要承受啟動(dòng)加速時(shí)、制動(dòng)減速時(shí)、裝卸載時(shí)的沖擊荷載。在沖擊荷載作用下，提升系統(tǒng)兩側(cè)受力在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大波動(dòng)，破壞了兩側(cè)受力平衡，首繩與提升機(jī)繩槽間可能出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象。同時(shí)由于繩槽誤差、鋼絲繩性能差別的影響，受力較大的鋼絲繩滑動(dòng)現(xiàn)象更加明顯，進(jìn)而使受力較大的鋼絲繩損壞，對應(yīng)繩槽的磨損加劇。

機(jī)械性能差別、制造誤差、提升系統(tǒng)運(yùn)行特性等會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行過程中鋼絲繩間受力不均衡，使部分鋼絲繩產(chǎn)生滑動(dòng)。提升系統(tǒng)周期運(yùn)行，鋼絲繩在運(yùn)行過程中反復(fù)滑動(dòng)致使鋼絲繩更容易損壞，同時(shí)進(jìn)一步加劇提升機(jī)襯墊的磨損，致使提升機(jī)繩槽直徑差越來越大，引起更大的磨損，縮短鋼絲繩使用壽命。平衡鋼絲繩之間受力不均衡除了盡可能提升材料機(jī)械性能及配合精度外，最有效的解決方案是選擇合適的懸掛裝置，通過懸掛裝置調(diào)整鋼絲繩長度，使各鋼絲繩間受力平衡。

2 懸掛裝置選型

在深井多繩摩擦提升系統(tǒng)中，鋼絲繩使用壽命一直是行業(yè)研究焦點(diǎn)，除了鋼絲繩旋轉(zhuǎn)扭曲、反復(fù)彎曲、銹蝕等影響鋼絲繩使用壽命的因素外，最重要的一點(diǎn)是各鋼絲繩之間受力不均衡導(dǎo)致部分鋼絲繩超載，在長期超載情況下加速鋼絲繩損壞。在提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，往往忽略了首繩懸掛裝置的重要性，特別是深井提升系統(tǒng)，首繩懸掛裝置對鋼絲繩的平衡起著調(diào)節(jié)作用。選擇合適的懸掛裝置能有效減小首繩之間的張力差,減小首繩滑動(dòng)，保護(hù)首繩及摩擦襯墊。

陜西洛南陳耳金礦有限責(zé)任公司(下稱“陳耳金礦”)提升井為盲混合井，井筒內(nèi)布置箕斗提升、罐籠提升兩套多繩摩擦提升系統(tǒng)，均采用JKMD-2.8×4(I)E型提升機(jī)?；废到y(tǒng)設(shè)計(jì)提升高度1 003 m，罐籠系統(tǒng)設(shè)計(jì)提升高度950 m，均屬深井系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)階段由于對深井提升系統(tǒng)鋼絲繩狀態(tài)認(rèn)識不充分，按經(jīng)驗(yàn)選擇了首繩懸掛裝置(油缸可調(diào)節(jié)長度為520 mm)，在豎井運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)鋼絲繩受力不均現(xiàn)象，從而導(dǎo)致部分鋼絲繩懸掛裝置油缸頂死。為了使鋼絲繩受力均衡，延長鋼絲繩使用壽命，礦山每隔1周需要進(jìn)行一次油缸打壓調(diào)整，系統(tǒng)維護(hù)量大。如果長期在油缸頂死狀態(tài)下工作，鋼絲繩壽命會(huì)急劇縮短，且摩擦襯墊損壞加劇。

首繩懸掛裝置選型計(jì)算主要從以下2方面入手：①根據(jù)提升系統(tǒng)配置計(jì)算懸掛裝置破斷力，確定懸掛裝置受力等級；②根據(jù)鋼絲繩彈性伸長量、提升機(jī)繩槽累計(jì)誤差長度、鋼絲繩殘余變形量及安裝誤差確定懸掛裝置油缸調(diào)節(jié)長度。

2.1 懸掛裝置破斷力計(jì)算

懸掛裝置破斷力由式(1)計(jì)算得出。

(1)

式中：F為懸掛裝置的破斷力，即首繩連接裝置必須承受的最小力(kN)；m為連接裝置安全系數(shù)，罐籠提升取13，箕斗提升取10[4];Pz為提升系統(tǒng)最大終端荷載(t);n1為提升系統(tǒng)尾繩數(shù)量；q為提升系統(tǒng)尾繩單質(zhì)量(kg/m)；lw為提升系統(tǒng)尾繩懸垂長度(m)；g為重力加速度(m/s2)；n為提升系統(tǒng)首繩數(shù)量。

陳耳金礦罐籠井提升系統(tǒng)最大終端荷載14.5 t，尾繩數(shù)量2根，尾繩懸垂長度975 m，尾繩單質(zhì)量6.24 kg/m，首繩數(shù)量4根。經(jīng)計(jì)算：懸掛裝置破斷力為850.24 kN。

2.2 懸掛裝置油缸調(diào)節(jié)長度計(jì)算

2.2.1 鋼絲繩彈性伸長量

鋼絲繩彈性伸長量由式(2)計(jì)算得出。

(2)

式中：l1為提升首繩彈性伸長量(m)；P為系統(tǒng)位于井底裝載時(shí)終端荷載(t)；lb為首繩彈性變形區(qū)間長度(即首繩懸垂長度)(m)；Ek為首繩鋼絲繩彈性模量(N/mm2)；S為首繩鋼絲繩中鋼絲截面積總和(mm2)。

陳耳金礦罐籠井首繩懸垂長度1 010.38 m，首繩鋼絲繩彈性模量119 795.67 N/mm2，首繩鋼絲繩中鋼絲截面積總和341.5 mm2，系統(tǒng)位于井底裝載時(shí)終端荷載為14.5 t。經(jīng)計(jì)算：首繩鋼絲繩彈性伸長量為0.878 27 m。

2.2.2 提升機(jī)繩槽累計(jì)誤差長度

提升機(jī)繩槽累計(jì)誤差長度由式(3)計(jì)算得出。

(3)

式中：l2為提升距離內(nèi)繩槽累計(jì)誤差長度(m)；e為繩槽直徑最大誤差，取0.000 5 m(根據(jù)GB 50961—2014《有色金屬礦山井巷安裝工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》，繩槽底圓直徑最大與最小之差為0.50 mm)；h為提升高度(m);D為提升機(jī)卷筒直徑(m)。

陳耳金礦罐籠井提升高度950 m，提升機(jī)卷筒直徑2.8 m，經(jīng)計(jì)算：鋼絲繩提升距離內(nèi)繩槽累計(jì)誤差長度為0.054 03 m。鋼絲繩彈性伸長量與繩槽累計(jì)誤差為互補(bǔ)關(guān)系，當(dāng)繩槽累計(jì)誤差較大時(shí)，鋼絲繩彈性伸長量則較小。

2.2.3 鋼絲繩殘余變形量

鋼絲繩出廠時(shí)一般均會(huì)經(jīng)過預(yù)拉伸，殘余變形量較小，且提升系統(tǒng)在懸掛鋼絲繩后，初期會(huì)經(jīng)過多次調(diào)繩，進(jìn)一步消除殘余伸長量[5]，因此，在懸掛裝置設(shè)計(jì)選型時(shí)可按提升高度的1/10 000計(jì)算殘余變形量,殘余變形量應(yīng)不大于伸長量的1/10。殘余變形量由式(4)計(jì)算得出。

(4)

式中：l3為鋼絲繩殘余變形量(m)。

陳耳金礦罐籠井首繩懸垂長度1 010.38 m。經(jīng)計(jì)算：鋼絲繩殘余變形量為0.101 03 m。

2.2.4 安裝誤差

通常鋼絲繩在井口安裝，對于落地式提升機(jī)，安裝誤差可取鋼絲繩弦長的1/1 000計(jì)算，對于塔式提升機(jī)安裝誤差可取0 m。鋼絲繩安裝誤差由式(5)計(jì)算得出。

(5)

式中：l4為安裝誤差(m);ls為落地式提升系統(tǒng)鋼絲繩弦長(m)。

陳耳金礦罐籠井為落地式布置，鋼絲繩弦長為52.286 m。經(jīng)計(jì)算：安裝誤差為0.104 57 m。

2.2.5 懸掛裝置油缸調(diào)節(jié)長度

懸掛裝置油缸調(diào)節(jié)長度(l)由式(6)計(jì)算得出。

l=|l1-l2|+l3+l4

(6)

經(jīng)計(jì)算：陳耳金礦罐籠井首繩懸掛裝置油缸調(diào)節(jié)長度為1.029 84 m。原所選裝置油缸調(diào)節(jié)長度為520 mm，長度偏小。

2.3 選型應(yīng)用效果

通過計(jì)算分析可知：陳耳金礦原XZS-A1350首繩懸掛裝置油缸調(diào)節(jié)長度選取偏小，僅為520 mm，小于計(jì)算值，導(dǎo)致頻繁出現(xiàn)油缸頂死現(xiàn)象。礦山每隔1周就需要停班進(jìn)行維護(hù)調(diào)整，其中，某批次鋼絲繩在使用幾個(gè)月后出現(xiàn)大量斷絲現(xiàn)象，礦山不得不提前更換鋼絲繩，僅更換鋼絲繩費(fèi)用約30萬元。

通過調(diào)研設(shè)備廠商后，該豎井更換了一種新型自動(dòng)平衡首繩懸掛裝置(專利號為ZL 2019 2 1084856.6)，該裝置調(diào)繩距離約為3 m。經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行實(shí)踐，陳耳金礦對首繩懸掛裝置的維護(hù)作業(yè)已由每隔1周維護(hù)1次改為每年維護(hù)1次或2次，鋼絲繩使用壽命基本達(dá)到2 a，使用效果良好。

2.4 首繩懸掛裝置使用建議

盡管可通過計(jì)算分析選擇首繩懸掛裝置，但提升系統(tǒng)復(fù)雜多變，存在較多的不確定性，因此，在使用過程中應(yīng)不斷總結(jié)分析，確定適合礦山的維護(hù)制度。

自動(dòng)平衡首繩懸掛裝置采用閉環(huán)無源液壓連通自動(dòng)調(diào)整平衡，該裝置通過油壓平衡了各鋼絲繩之間的張力，但由于各油缸之間連接組件沒有鎖死裝置，不能完全避免鋼絲繩間的串動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)某時(shí)刻某根鋼絲繩在系統(tǒng)一側(cè)受力突然增加，該側(cè)油缸伸長，另一側(cè)油缸縮短；該側(cè)其他油缸相應(yīng)縮短，另一側(cè)其他油缸相應(yīng)伸長，重新達(dá)到內(nèi)部油壓平衡，使鋼絲繩張力差為零。在重新達(dá)到平衡的過程中，鋼絲繩在彈性變形調(diào)節(jié)能力外可能發(fā)生了串動(dòng)。為了避免這種現(xiàn)象發(fā)生，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在鋼絲繩懸掛裝置連接組件間增加控制閥門。根據(jù)國外對懸掛裝置的使用經(jīng)驗(yàn)，在豎井運(yùn)行一段時(shí)間系統(tǒng)進(jìn)入平穩(wěn)期后，關(guān)閉一側(cè)容器上方懸掛裝置的調(diào)節(jié)功能，只利用另一側(cè)進(jìn)行張力平衡調(diào)節(jié)；運(yùn)行一段時(shí)間后，將該側(cè)打開，另一側(cè)鎖死，交替使用可以很好地控制鋼絲繩串繩現(xiàn)象。

3 結(jié) 語

對于深井提升系統(tǒng)，機(jī)械性能差別、制造誤差、提升系統(tǒng)運(yùn)行特性等因素會(huì)導(dǎo)致多繩摩擦提升系統(tǒng)中的鋼絲繩受力不均衡，出現(xiàn)串繩現(xiàn)象，加劇鋼絲繩和繩槽的磨損，輕則頻繁出現(xiàn)調(diào)節(jié)油缸頂死現(xiàn)象，增加系統(tǒng)維護(hù)量；重則使提升鋼絲繩壽命急劇縮短。以陳耳金礦深豎井中的首繩懸掛裝置為例，根據(jù)陳耳金礦實(shí)際工況對首繩懸掛裝置進(jìn)行選型計(jì)算，解決了需頻繁維護(hù)首繩懸掛裝置的問題，使維護(hù)作業(yè)由每隔1周維護(hù)1次改為每年維護(hù)1次或2次。因此，合理選擇首繩懸掛裝置能有效提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，減少系統(tǒng)維護(hù)工程量，延長鋼絲繩使用壽命。